浅谈混沌现象

——介于确定与随机之间的运动

摘要：

混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够充分处理的多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。

简单地说，混沌是一种确定系统中出现的无规则的运动。混沌理论所研究的是非线性动力学混沌，目的是要揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的简单规律，以求发现一大类复杂问题普遍遵循的共同规律。

关键词：混沌现象；非线性；阻尼摆；相平面。

4月25日的大物演示实验让我收获很多，感受良多。其中，尖端放电，热声效应与混沌现象等实验引起了我极大的兴趣，其中的混沌现象更是让我百思不得其解，于是我利用课余时间查阅参考了大量相关的文献资料并结合吴亚非老师在大学物理课上所讲解的一些知识写下这篇论文式的物理实验报告。

“混沌”是确定论系统所表现的随机行为的总称。它的根源在于非线性的相互作用。所谓“确定论系统”，指描述该系统的数学模型是不包含任何随机因素的完全确定的方程。例如，一支简单摆的微小振动，由下面的线性微分方程描述：

其中φ是摆偏离竖直状态的小小的角位移，ω是摆的圆频率，即频率v乘以2π。它和振动周期T的关系是

                                 

这些都是我在大学物理中学过的知识，后面还会再推导一次。像式（7。1）这样的方程，它的解是完全确定的，可以写成

φ（t）＝Asin（ωt）+Bcos（ωt） （7.3）

两个常数A和B可以由初始条件，即t=0时的角位移φ（0）和角速度φ（0）完全确定。这里φ（t）表示微分dφ（t）/dt。因此，对于简单摆这样的系统，只要给定了初始条件，它今后的运动就完全确定了，任何时刻t的角位移和角速度都可以精确地预言。如果初始条件发生些许小小的变化，摆的行为也变化不大，同样也可以精确预言。换句话说，摆的运动状态对于初始条件的细微变化并不敏感。随机运动的经典实例是植物学家布朗（R.Brown）1827年在显微镜下看到的液体中花粉颗粒的无规运动，也就是现在的布朗运动。我们可以试图用牛顿定律来描述布朗运动。设想一粒花粉飘落到液体中，它带着一定的初始速度，受到液体粘滞性导致的阻力，还受到成亿的液体分子的随机冲撞，也可能受到某种外力f(x)的作用。阻力通常正比于速度v=x’，但方向相反，可以写成-kx’，k是摩擦系数。根据牛顿定理有：

mx’’=f(x)-kx’+随机力              （7.4）

这里的随机力只能用随时间无规则变化的随机数ξ（t）来代表。事实上在阻力作用下，花粉的速度的变化，也就是加速度x’’变的越来越小，甚至可以从方程（7.4）中忽略。于是我们得到

σ是一个参数，用来反映随机力的强弱。关于随机力ξ（t）我们所知甚少，只能假定它满足一定的概率分布，例如高斯分布；还可以合理地假定它的平均值为零，等等。这样，式（7.5）就成为一个典型的随机微分方程，即著名的朗之万（P. Langevin）方程。朗之万方程的理论也已经发展得相当完备。例如，只要方程（7.5）中的两个系数k和σ满足一定的比例关系，方程的解最终与初始条件没有关系，x会成为满足一定分布的随机数。从方程的解对初值变化根本无关的意义上说，这类随机微分方程描述的运动也是简单的。自然界中最常见的运形态，往往既不是完全确定的，也不是完全随机的，而是介乎二者之间。对于这类运动，很长时期没有恰当的描述体系。混沌现象的理论，为更好地理解自然界提供了一个框架。对混沌现象的认识，是近20年来非线性科学最重要的成就之一。于是，为了更好的认识并解释混沌现象，我们也要了解一下非线性的理论。

                     

概括地说，可以列举非线性的以下特点：

第一，线性是简单的比例关系，而非线性是对这种关系的偏离。线性关系是“水涨船高”，但一般只适用于自变量的一定范围，不能无限制地“涨”上去，而非线性才能反映“过犹不及”，“一波三折”等更复杂的行为。

第二，线性关系是互不相干的独立贡献，而非线性则是相互作用。

第三，对于理解混沌现象有重要意义的一条差别：线性关系保持讯号的频率成分不变，而非线性使频率结构发生变化。我们首先需要解释一下线性运动模式这个概念。出现在单摆方程（7.1）的解（7.3）中的sin（ωt）和cos（ωt）是两种基本的运动模式，它们线性地叠加起来，组成摆的运动φ（t）。同样的，sin（2ωt）或cos（8ωt），是另外一些基本模式，而cos2（ωt）不是基本的模式，

因为根据三角函数关系

                             

它可以分解成1（这是ω=0的模式）和cos（2ωt）两种模式的线性组合。对于一个遵从欧姆定律的线性电路，电压V，电流I和电阻R的关系是:V=RI    （7.11）

如果I是频率固定的交流信号I=I0cos（ωt），电压V也只含有同样的频率ω。然而，如果电压电流关系中出现了非线性项，例如：     V＝RI+R1I2    (7.12）

则对于同样的交流输入，电压V中就会有直流（ω=0）和倍频2ω出现。

第四，非线性是引起行为突变的原因。对线性的细小偏离，往往并不引起行为突变，而且可以从原来的线性情形出发，靠修正线性理论去描述和理解。然而，非线性大到一定程度时，系统行为可能发生突变。非线性系统往往在一列参量阈值上发生突变，每次突变都伴随着某种新的分频成分，最终进入混沌状态。这些阈值和分频，不能象前面借用三角函数的关系来简单解释，而必须动用混沌动力学中的方法和概念。最简捷的方式，是通过考察一个简单的力学系统，看怎样改造到直到出现混沌现象。

解释强迫摆的混沌运动

现在考察一个简单的数学摆：一根本身没有质量的长度为l的细杆，一端固定在可以无摩擦地自由转动的轴承O上，另一端是质量为m的质点。整个运动发生在图7-3所示平面中：

当质点竖直地悬在A点时，摆处于势能最低的状态。它可以永远静止在这点上。当质点被偏置到B点时，它的势能是

V=mlg［1－cos（φ）］ （7。13）

我们取静止点A的势能为0，因为势能总是相对于某个状态来测量的。式（7。13）中的g是重力加速度，φ是前面已经提到过的角位移。质点m只能沿着半径为l的大圆运动，它的位移是x=lφ（按弧度算），因此加速度是

写出牛顿方程：

也就是：

这里圆频率ω由摆长l决定，即：

由于正弦函数可以展开成无穷级数：

所以式（7.15）是一个非线性的微分方程。当角位移很小时，sin（φ）可以近似地换成φ，得到前面的方程（7.1）。角位移φ和角速度φ’是两个动力学变量。它们张成了一个相平面。其中，相平面中的每一点代表系统的一种可能的运动状态。由于沿大圆转动的周期性，可以把φ限制在-π到+π之间，只考虑相平面中的一个垂直条带。图7-4是运动能量不大时摆的周期振动的相平面表示。我们可以考虑摩擦阻力。加入-kφ’项，使它成为阻尼摆，于是有：

阻尼摆在相平面中的运动轨道不再是周期的，而是盘旋缩小，最终静止在原点的一条螺旋线。

当由初始条件决定的运动能量足够大时，摆开始绕悬挂点O作转动。顺时针和逆时针的两种转动，在相平面中表现为从一边穿出条带，又从另一边返回的不封闭的曲线（图7-6）。图7－6中有一条特殊的分界线，把振动和转动两种运动制分开。有摩擦力存在时，转动也会减小幅度，成为阻尼振动，最终停止在原点上。无论有没有阻尼，方程（7。15）或（7。18）所描述的系统，都不会表现出混沌行为。这是因为它们是二阶微分方程，有一个数学定理说这类方程没有比周期运动更复杂的行为。为了看到混沌运动，可以再对摆施加周期性的外力，使它成为强迫摆。这样做的办法很多。可以设法周期性地改变摆的长度。这相当于使频率ω发生周期性的变化。于是方程（7.18）又可以写成为

这是一个参量驱动的阻尼摆，Ω是外驱动力的频率。现在它的运动不再达到静止状态（除非初始状态是静止在原点）。在参量A的某些区域里，可以出现各种不同的振动或转动，或者两者的交替，在另外一些A值处，则可能出现看来很随机的混沌运动。图7-7是相平面中一条混沌轨道的一小段。这条轨道会永不重复地绕来绕去，最终把相平面的一大片涂成黑色。

上面的讨论只是演示了参量驱动摆可以出现混沌运动。对于这样的混沌状态究竟是怎样出现的，为什么它是混沌的，诸如此类的问题其实并没有回答。事实上，对于一个由微分方程描述的系统，这些问题原则上是可以回答的，但必须要进行大量数值和解析的研究和分析。这个就需要我有能力进行大量的实验并且掌握更多的知识才行。

总之，科学的发展与进步离不开无数代科学家的努力，我希望我能在今后的学习中学到更多的知识与能力，在科学研究的道路上走的更远，实现我的梦想。

参考文献与部分图片出处：

[1]罗杰、G、牛顿。 探求万物之理   李香莲译。 上海科技教育出版社，2000

[2]詹姆斯、格莱克。  混沌学  北京科学文献出版社, 1988

[3]黄润生   混沌学及其应用  武汉大学出版社，1999

[4]梁美灵、王则柯   混沌与均衡纵衡谈   大连理工大学出版社，2008

[5] 海因茨.奥托.佩特根，（德）哈特穆特.于尔根斯，迪特马儿.绍柏， 混沌与分形—科学的新疆界     田逢春译。 北京国防工业出版社，2008

[6]于国新、许兆义   围岩结构面分布的混沌现象研究.  铁道工程学报，106(7)2007.7

[7]郝柏林   混沌现象  2011

[8]董健  《Mathematica与大学物理计算》中关于阻尼摆的计算  清华大学出版社,2010.09

[9]大学物理编写组   大学物理（上册） 天津大学出版社

                                                 

                   

第二篇：大学物理演示实验报告(1)

大学物理演示实验报告

实验目的：通过演示来了解弧光放电的原理

实验原理：给存在一定距离的两电极之间加上高压，若两电极间的电场达到空气的击穿电场时，两电极间的空气将被击穿，并产生大规模的放电，形成气体的弧光放电。

雅格布天梯的两极构成一梯形，下端间距小，因而场强大(因)。其下端的空气最先被击穿而放电。由于电弧加热（空气的温度升高，空气就越易被电离, 击穿场强就下降），使其上部的空气也被击穿，形成不断放电。结果弧光区逐渐上移，犹如爬梯子一般的壮观。当升至一定的高度时，由于两电极间距过大，使极间场强太小不足以击穿空气，弧光因而熄灭。

简单操作：打开电源，观察弧光产生。并观察现象。（注意弧光的产生、移动、消失）。

实验现象：

两根电极之间的高电压使极间最狭窄处的电场极度强。巨大的电场力使空气电离而形成气体离子导电，同时产生光和热。热空气带着电弧一起上升，就象圣经中的雅各布（yacob以色列人的祖先)梦中见到的天梯。

注意事项：演示器工作一段时间后，进入保护状态，自动断电，稍等一段时间，仪器恢复后可继续演示，

实验拓展：举例说明电弧放电的应用